（石油与天然气工程专业论文）青龙台油田防砂技术研究与应用.pdf

青龙台油田防砂技术研究与应用 于萍( 石油与天然气工程) 指导教师：李明忠( 教授) 摘要 本文针对青龙台油田防砂研究缺乏理论指导、防砂方案优选缺乏系 统性、科学性等问题，从油田出砂机理研究、防砂方案优选、现场试验 应用等三方面进行了研究与实践。 文中，首先对油田的地质特征进行了详细描述，并对油田出砂状况 进行了数理统计。同时，从微观角度和宏观角度对出砂机理进行了深入 探讨，找出了充填砂临界流速和骨架砂破坏的影响因素，研究确定了青 龙台油田出砂的主要原因；采用二级综合模糊评判方法对各种防砂方法 进行了技术评价，引入了隶属函数和隶属度，根据各个因素对防砂方法 的影响程度确定其权重集，计算了各种防砂方法对油井的适应性，最终 筛选出氟硼酸固砂剂防砂做为最佳防砂方案；针对青龙台油田的出砂特 点，对氟硼酸的施工工艺进行了技术改进，采用正交试验的方法筛选出 氟硼酸的合理浓度，同时对井筒携砂条件进行了理论分析并确定了防砂 后油井临界出砂产量计算方法，进而对油井的工作制度进行了优化。另 外，根据单井生产情况和出砂特点配套应用了螺杆泵、动筒防砂泵、长 柱塞耐砂泵等井筒携砂采油工艺，实现了固砂、控砂、排砂相结合，经 实际油井生产应用，取得了良好效果。 关键词：青龙台油田，出砂机理，防砂方法优选，模糊评判 r e s e a r c ha n da p p l i c a t i o no ft e c h n o l o g ya b o u ts a n d c o n t r o li nq i n g l o n g t a io i l f i e l d y up i n g ( o i la n dg a se n g i n e e r i n g ) t u t o r - l im i n g z h o n g ( p r o f e s s 0 0 q i uy a n a _ n h u i ( s e n i o re n g i n e e r ) a b s t r a c t t h i sa r t i c l ei sa i m e da ts l o v i n gs o m ep r o b l e m so ft h el a c ko ft h e o r y d i r e c t i o n , a n dt h ed i s a d v a n t a g eo fs y s t e m a t i c n e s s ，s c i e n c eo fp r e v i o u s o p t i m a ls e l e c t i o no fs a n dc o n t r o li nq i n g l o n g t a io i l f i e l d t h e r e f o r e ，i ti s r e s e a r c h e do nt h r e e 鄹p e c t so fs a n d i n gm e c h a n i s mi no i l f i d d , p r e v i o u s o p t i m a ls e l e c t i o no f s a n dc o n t r o la n da p p l i c a t i o no f f i e l d t e s t f i r s t l y , b a s e do nt h ed e s c r i p t i o no fr e s e r v o i rc h a r a c t e r i s t i c sa n ds a n d p r o d u c t i o nf e a t u r e so fq i n g l o n g t a io i l f i e l d , t h et c c t o u i cf o r m ，d e p o s i t i o n a l f e a t u r e s , m s e r v o i rc h a r a c t e r i s t i c s ，o i la n dg a sd i s t r i b u t i o na r ed e s c r i b e di n d e t a i li nt h ep a p e r w i t ht h em e t h o do fm a t h e m a t i c a ls t a t i s t i c s ，t h es a n d p r o d u c t i o nc h a r a c t e r i s t i c sa n dp a t t e r no fq i n g l o n g t a io i l f i e l da r ed i s c u s s e di n d e p t ha n ds o m eu n d e r s t a n d i n g sh a v eb e e no b t a i n e d a tt h es a m et i m e ，t h e s a n d i n gm e c h a n i s mi sd i s c u s s e di nd e p t hf r o mm i c r o c o s m i ca n dm a c r o s c o p i c d i r e c t i o n , t h ef a c t o r sa f f e c t i n gt h ec r i t i c a lf l o wr a t eo fp a c k i n gs a n d sa n d d a m a g i n gm a t r i xs a n d sa r ef o u n d , i nt h ee n d ，t h ef a c t o ma f f e c t i n gs a n d p r o d u c t i o ni i lo i lw e l l si nt h ef i e l d sa l ea n a l y z e d a f t e rt h es a n dp r o d u c t i o n m e c h a n i s mi sa n a l y z e d , s u i t a b l es a n dc o n u o lm e a s u r e sf o rt h eb l o c ka r e s e l e c t e di nv i e wo ft h es a n dp r o d u c t i o ns i t u a t i o na n dp a t t e r no ft h eb l o c k t e c h n i c a le v a l u a t i o ni sc o n d u c t e df o re a c hs a n dc o n t r o lm e t h o db ys e c o n d a r y a m b i g u o u se v a l u a t i o nm e t h o d , w h i c hc a l l si ns u b o r d i n a t ef u n c t i o na n d d e g r e eo fm e m b e r s h i p ，a n dc a l c u l a t e st h es u i t a b i l i t yo fe a c hs a n dc o n t r o l m e t h o df o ro i l w e l l s f i n a l l y s a n dc o n t r o lw i t hf l u ob o r i ca c i ds a n d c o n s o l i d a t i o na g e n ti ss e l e c t e da st h eb e s ts a n dc o n t r o lm e t h o d o nt h eb a s i s o fw h i c ht h es a n de o n t r o lm e c h a n i s mo ff l u eb o d ca c i ds a n dc o n s o l i d a t i o n a g e n ti se l a b o r a t e da n dt h eo p e r a t i o nt e c h n o l o g ya n ds u p p o r t i n gw e l l b o r e s a n dc a r r y i n go i l p r o d u c t i o nt e c h n o l o g ya g eo p t i m i z e d b e s i d e s w i t ht h e s i n g l ew e l l ss i t u a t i o no fp r o d u c t i o na n ds a n d i n gf e a t u r e s ，c a r r i e rp e t r o l e u m e n g i n e e r i n go fc a v i t yp u m p ，s a n dc o n t r o lp u m po fm o v a b l eb a r r e l ，w i t h s a n d p l u n g e rp u m pa l ea p p l i e d , w h i c hr e a l i z et h ec o m b i n a t i o no ft h es a n d c o n s o l i d a t i o n , c o n t r o l l i n gs a n d f i n a l l yi th a saw e l le f f e c td u r i n ga p p l i c a t i o n o f p r a c t i c a lw e l lp r o d u c t i o n k e yw o r d s ：q i n g l o n g t a io i l f i e l d ， s a n d p r o d u c t i o nm e c h a n i s m ，o p t i m a l s e l e c t i o no f s a n de o n 订o lm e t h o d s ，a m b i g u o u se v a l u a t i o n 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论 文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中固 石油大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一f 4 工作 的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了 谢意。 签名： 耸 ! 鲞 ， 矽叼6 年 月z - z ，同 关于论文使用授权的说明 本人完全了解中囤石油大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件及电子版。允许论文被查阅和借阅；学 校可以公柿论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手 段保存论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 学生签名： 导师签名： 汐移年 箩月2 2p i 沙奄占年r 月2 7 - 同羞 中国石油人学( 华东) 1 程硕十论文第1 章前言 1 1 出砂的危害 第1 章前言 油井出砂是油气开采过程中遇到的主要难题之一，在国内外各油田 生产中都广泛地存在着出砂问题。油井出砂一方面导致砂子在井内沉积 形成砂堵，降低产量，另一方面也增加了井下作业工作量，此外，出砂 还会引起设备磨损严重及井下工具砂卡的现象。如果砂害得不到治理， 油气井出砂将越来越严重，致使出砂油气藏不能有效开发。油井出砂的 危害【1 2 1 主要表现在以下三方面： ( 1 ) 油气井减产或停产作业 油气井出砂，容易造成油层砂埋、油管砂堵，导致作业频繁，生产 周期越来越短，使油气井的产量大减。 ( 2 ) 地面和井下设备磨蚀 由于油气井产出流体中含有地层砂，能使抽油泵阀座磨损、阀球点 蚀，柱塞和泵缸拉伤、地面闸门失灵、输油泵叶轮严重冲蚀，造成产量 下降、成本上升。 ( 3 ) 套管损坏、油井报废 油气井出砂最严重的情况是随着地层出砂量的不断增加，套管外的 地层空穴越来越大，达到一定程度，往往会导致突发性的地层垮塌。套 管受垮塌地层砂岩团块的撞击和地层应力变化的作用，受力失去平衡而 产生变形或损坏，严重甚至会导致油井报废。 1 2 国内外防砂研究现状 1 2 1 防砂理论研究现状 中国石油大学( 华东) _ i = 稃硕士论文第1 章前言 在出砂机理及出砂规律方面，几十年来国内外专家、学者进行了大 量的研究工作，并得出了很多结论，这些结论对现今的防砂工艺技术起 到了积极的推动作用。总结防砂机理研究的历史，主要有以下几种观点： ( 1 ) 根据地层特点分析出砂机理问题 1 9 9 1 年，n m o r i t aa n dea b o y d 两人发表的文章中详细地分析了油 田现场常见的五种典型的油气田出砂问题。其一是地层的弱胶结出砂； 其二是中等胶结强度易出水地层；其三是油藏压力下降导致胶结性好的 地层出砂；其四是地层具有高水平构造应力，胶结性好的地层出砂；其 五是井眼表面周围高压力梯度的出砂问题。 ( 2 ) 根据两种力的作用对出砂机理进行分析 2 0 世纪8 0 年代末n m o r i t aa n dd l w h l t f i l l 等人在他们的文章中论 述了由于两种力的作用导致地层出砂，一是剪切应力导致的地层破碎； 二是张应力造成的地层破碎；三是根据砂拱稳定机理进行出砂机理分析： h a l lc d jr a n d h a r r i s b e r g e r 等人第一个用岩心三轴向试验来研究在 不同的载荷和油、水两相作用下砂拱稳定性问题；四是由砂粒从骨架脱 附情况来分析地层出砂机理，认为出砂是一个单独的砂粒或者砂的集合 物从砂的“骨架”上运移进入一个流动的流体中的过程，这个过程是由 两种机理引起的；五是根据出水后岩石性能的变化分析地层出砂机理。 从整个出砂机理的研究历史看，对出砂机理的研究已经从宏观上的 地层结构力和地层内流体的多相流动的共同作用发展到微观上的地层砂 颗粒从砂体骨架上的脱落和矿化水与地层岩石间的化学反应。对地层出 砂机理的研究越来越细致，越来越具体，对防砂工艺的发展有更大的推 动作用，也在一定程度上缓解了油井出砂程度，但总的而言仍存在不少 问题，使得在制定开采工艺及采取防砂措施方面仍带有一定的盲目性， 从而造成大量人力物力的浪费。 2 中国柏油大学( 华东) t 秤硕十论文第1 章前言 1 2 2 工艺研究现状 防砂技术方面，近年来有了长足的进步，目前正朝着机械、化学方 法结合，地层固砂与井筒防砂并举，井下滤砂和携砂采油同步的综合防 砂技术方向迈进，己逐渐形成了成套的防砂工艺技术和体系。主要表现 为防砂方法多样、效果好、有效期长；注重油层保护，避免污染，做到 防砂不减产。 防砂方法种类很多。按防砂时期来分，可分为先期防砂和和后期防 砂。先期防砂是指完井的同时就进行防砂工艺和措施；后期防砂是指完 井、投产后进行的防砂工艺和措施。按防砂原理大致可以分为砂拱防砂、 机械防砂、化学防砂、热力焦化防砂和压裂防砂六大类1 4 1 。 目前国内防砂技术发展呈现三个趋势：一是注重防砂基础理论的研 究；二是重视工艺技术水平的提高与不断开发新产品；三是复合防砂工 艺技术受重视。防砂技术的多样性，适应了我国各油田出砂的复杂性， 各种防砂技术在各油田大规模推广应用，为原油产量持续稳定增长做出 了重要贡献。 1 3 青龙台油田防砂现状及存在问题 青龙台油田是辽河油田主要稀油产区之一，油层胶结差，结构疏松， 粘土水化现象严重，属于速敏地层，生产过程中极易出砂。油井出砂一 直是制约该油田稳产的最主要矛盾之一，大量油井因出砂严重而停产。 近年来，特别是2 0 0 0 年以后，随着各项防、排砂技术的推广，部分出砂 井产能陆续得以恢复，油井出砂造成的影响得到一定程度的缓解。但是 在多年的防砂技术应用推广过程中，由于对油田出砂机理、出砂规律认 识不足以及对各种防砂技术的适应性研究不够深入，在防砂工艺措施的 选择上经常以单井为目标，依据经验来决策。防砂研究缺乏理论指导， 中国石油大学( 华东) 工程硕士论文第l 章前言 防砂优选中难以兼顾各种因素，防砂方法适应界限难以界定，防砂方案 缺乏针对性，严重影响了油田防砂效果。 1 4 研究内容 本文拟从青龙台油田的油藏及出砂特征描述入手，同时对出砂机理 进行深入研究，找出油田的出砂特点、出砂规律，最终确定油藏的主要 出砂因素，在此基础上选择适合油田特定条件的合理防砂方法。同时结 合具体油井的实际生产情况，研究确定合理的工作制度、配套举升工艺 以及防、排砂一体化管柱结构，实施并跟踪分析措施效果，以期为该项 技术的推广应用奠定更为坚实的基础。 4 中国行油大学( 华东) 】柙硕七论文第2 章油减及出砂特祉描述 第2 章油藏及出砂特征描述 青龙台油田是具有代表性的典型出砂油田，其特点是出砂严重，不 同部位出砂粒径、出砂程度不同，致使防砂难度大。本章简介了青龙台 油田油藏地质特点、出砂情况，并分析了出砂规律。 2 1 油藏地质情况 青龙台油田位于辽河断陷盆地东部凹陷北部牛居青龙台断裂背斜 构造带的南部。该油田为两条北东向断层所夹持的断裂背斜构造油田， 含油面积7 6 7 k m 2 ，石油地质储量1 5 6 3 x 1 0 4t ，主力含油层系为s ：i 油 组，油田由龙l o 块、龙1 1 块、龙1 2 块等三个断块组成。 ( 1 ) 构造形态 青龙台油田为断裂半背斜构造，构造高点在l 1 5 2 1 l 1 6 2 1 附 近，构造比较平缓，倾角4 0 8 。，闭合高度1 5 0 m ，油藏埋深1 4 7 5 m 1 7 7 0 m 。 ( 2 ) 沉积特征 该油田为扇三角洲前缘沉积，以分流河道沉积为主，物源方向为北 东向，砂体呈条带状分布。砂体宽5 0 m l o o m ；纵向上，储层发育集 中，隔层不发育。 ( 3 ) 储层特征 层组划分 依掘沉积旋回及油水关系，把受亚段划分为三个油层组：i 、i i 、 i i i 三个油组。其中i 油组厚约1 5 0 m ，含有八个砂岩组；i i 油组厚约 l o o m ，含四个砂岩组；i i i 油组厚约5 0 m ，含两个砂岩组。i 油组足青 龙台油田的主力油层，油层厚度大，生产能力旺盛。 储层岩性特征 中国打油大学( 华东) 工稃硕十论文第2 章油藏及出砂特征描述 青龙台油田储层以细砾、含砾粗砂岩为主，砂岩中碎屑含量较高， 在8 5 9 5 之间，主要成份为石英( 占2 5 3 5 ) 、长石( 占5 4 0 ) 、 岩屑( 占3 0 3 5 ) 。岩石为泥质胶结，以接触式胶结为主，胶结疏松， 易出砂。 储层物性特征 油田储集砂体为岩性较粗、分选性较差、含泥量较高的中一高渗透 层。在平面上，非均质性比较严重。砂体发育的主体部位物性较好，边 部物性较差；纵向上储层物性差别较大，渗透级差在3 0 倍左右，其中、 v 、砂岩组物性较好，孔隙度一般在2 0 ，渗透率一般在1 0 0 0 1 0 4 岬2 以上；其它砂岩组物性较差，孔隙度一般在5 1 5 ，渗透率一般在 4 5 0 1 0 。3 岬2 6 5 0 x 1 0 4 岬2 。 通过室内分析得出：储层平均粒度中值为0 1 1m i i l ，泥质含量为 1 9 5 3 ，分选系数为9 ，孔隙度为2 0 ，空气渗透率为1 0 9 2 x1 0 4 “m 2 。 ( 4 ) 油气分布及油藏类型 青龙台油田油层发育集中，油藏埋深在1 4 7 5 m 1 7 7 0 m ，如图2 - 1 所示。油气分布受构造和岩性控制，构造高部位及砂体发育处则油层厚， 处于构造边部砂体较不发育处油层薄。从各砂岩组油层等厚图上可以看 出，平面上油层在主体部位及东部主断层附近比较发育；纵向上，油层 在、v 砂岩组发育较厚。断块内平均单井厚度在1 9 8 m ，断块内单井 油层最厚达4 6 8 m 。断块内无统一的油水界面，边底水不活跃。断块油 藏类型是断层遮挡的层状岩性油藏。 6 中国打油大学( 华东) i ：稗硕十论文第2 章油藏及出砂特征描述 _ | | ”、，” 0，n 图2 - 1 青龙台油田井位构造图 ( 5 ) 流体性质 青龙台油田原油性质总的变化趋势是：由深到浅原油密度增大、粘 度升高，凝固点降低，胶质与沥青质含量增加。地层原油相对密度为o 8 6 ， 粘度为1 6 1 m p a s ；地面原油相对密度为o 9 3 ，粘度为8 1 m p a s ，凝固 点为1 1 2 0 ，含蜡量为7 4 ，胶质与沥青质含量为2 1 5 。 地层水属于n a h c 0 3 型，总矿化度4 4 0 9 2 7 m g l ，h c o ；根含量为 2 2 8 8 2 5m g l 。 油藏原始地层压力为1 8 2 m p a ，饱和压力为1 6 o m p a ，地饱压差为 2 2 m p a ，原始地层压力系数为1 1 左右。主要地质参数见表2 1 所示。 7 中国石油大学( 华东) 工稃硕十论文第2 章油藏及出砂特征描述 表2 - 1 青龙台油田主要地质参数表 项目主要地质参数 岩性特征细砾砂岩和含砾砂岩 地质 沉积特征扇三角洲前缘沉积 特征 油藏类氆断层遮挡的层状岩性油藏 孔隙度( ) 2 0 渗透率( 1 0 - 3 1 t m 2 ) 1 0 9 2 含油饱和度( ) 6 2 油藏j ! 深( m ) 1 4 7 5 1 7 7 0 储层 含油井段( m ) 5 0 - l l o 物性 有效厚度( m ) 4 0 泥质含量( 呦 1 9 5 3 碳酸盐含量( ) 4 5 9 粒度中值( m m ) o 1 1 分选系数9 原油粘度( 5 0 c ) ( m p a s ) 1 6 1 原油 原油密度( 2 0 ) ( g e m 3 ) o 9 3 凝固点( ) 1 i 2 0 物性 含蜡鼙( 坳 7 4 胶质+ 沥青质( 哟 2 1 5 地层 地层水总矿化度( m g 1 ) 4 4 0 9 2 7 水性水氆 n a h c 0 3 地层压力( m p a ) 1 8 2 地层 压力系数( m p a 1 0 0 m ) 1 1 温压地层温度( )5 5 地温梯度( 4 c h 0 0 m ) 2 7 2 2 出砂情况 2 2 1 累计冲砂砂柱高度 8 中国，袖大学( 华东) t 稃硕士论文第2 章油藏及出砂特征描述 在统计的7 6 口井中，累计冲砂砂柱高度在5 0 0 m 以上的2 2 口井， 3 0 0 m 5 0 0 m 之日j 的1 7 口井，1 0 0 m 以下的3 7 口井，分布规律如下： ( 1 ) 平均出砂偏重，均在3 0 0 m 以上，越往北越重，l 2 3 1 5 ，l 2 5 0 1 6 ， l 2 4 1 6 在5 0 0 m 以上。 ( 2 ) 主河道靠近物源部分，储层岩石成熟度低，由l 2 6 1 9 至l 2 6 2 2 以南出砂逐渐减轻。 ( 3 ) 主河道中心线部分连通好，产液量高，泥质含量低，携砂能力好， 越远离中心线，沉积不稳定，出砂加重。如l 2 2 1 9 ，l 1 4 ，l 2 4 2 0 ，l 2 5 2 0 ，l 2 5 2 1 ，l 2 6 - 2 1 ，均在中心河道边源。 ( 4 ) 在主河道分支部位，由于河水变缓，沉积分选差，出砂加重。如 l 2 0 - 1 9 ，l 2 0 2 0 ，l 2 1 2 0 ，l 2 1 1 2 1 ，l 2 1 - 2 2 等井。 ( 5 ) 在决口扇，平均孔隙度为1 8 6 ，平均渗透率只有5 2 3 9x 1 0 - 3 岬2 ，粒度中值为o 1 2 m l n ，分选系数为l o 6 8 ，泥质含量为1 9 6 ， 出砂严重的有l 2 6 ，l 2 5 1 2 0 ，累积出砂在5 0 0 m 以上，l 2 4 1 9 出砂在3 0 0 m 以上。 ( 6 ) 在河口坝边缘出砂偏重。有l 2 2 1 2 2 ，l 2 2 2 3 ，l 1 9 - 2 3 ，l 1 8 1 6 ， l 1 8 1 9 ，l 1 8 1 1 9 等井。 ( 7 ) 在主河道形成河问沉积起始部分，出砂较轻，而在河日j 泥沉积较 远部分，与分枝河道形成了驴头状。头部有：l 1 6 1 9 ，l 1 7 2 0 ，l 1 5 1 2 0 ， l 1 5 - 2 1 ，l 1 5 - 1 2 1 ，l 1 4 2 1 ，l 1 5 - 2 3 ，l 1 3 2 2 ，l 1 3 - 2 3 。向东沿断层线沿 伸的有：l 1 5 0 2 1 ，l 1 6 2 1 ，l i7 - 0 2 2 ，l 1 7 2 2 ，l “，l 1 7 - 1 2 2 ，l 1 7 2 3 。 l i b 一2 2 ，l i b g 2 2 等井，该范围内冲砂中有5 0 0 , 4 井累积在5 0 0 m 以上， 另5 0 在3 0 0 m 5 0 0 m 之间。 2 2 2 井口含砂 统计4 7 口生产井中，平均井口含砂为0 0 7 ，在0 0 7 以上的占 9 中国石油大学( 华东) 工稃硕十论文第2 章油藏及出砂特征描述 5 3 2 ，在0 0 7 以下的占4 6 8 ，井口含砂偏重的井主要分布在河问泥 沉积带，决口扇部位。 2 2 3 砂样分析 共计在青龙台油田取砂样3 5 井次，其中可对比的有1 1 口井，粒度 中值在o 0 8 m m o 2 2 1 3 1 1 1 3 范围内。平均粒度中值为o 1 1 n l r n ，分选系数 在8 1 6 1 1 2 l 之间，平均分选系数为9 ，分选性差；分布范围广，粒径 在0 0 0 7 6 m m o 9 m m 之间；o 1 l n l n 以下细粉砂占总出砂量的3 0 6 0 左右，出砂通常是以细粉砂为主，产出物通常伴有不同程度的粘土物质。 1 0 中国i 袖大学( 华东) l 稃硕十论文第3 章出砂机理分析 第3 章出砂机理分析 地层出砂类型一般可以分为充填砂和骨架砂。本章通过微观出砂机 理分析方法找出了充填砂流速的影响因素。从宏观出砂机理分析角度讨 论了骨架砂破坏的影响因素，最后分析了油井现场条件出砂的影响因素。 3 1 出砂原因 地层出砂情况十分复杂，一般来说地层应力超过地层强度就可能出 砂。从出砂原因分析，可分为先天性原因和开发因素；从出砂类型分析， 可分为充填砂和骨架砂；从出砂机理分析，可分为宏观出砂和微观出砂。 3 1 1 先天性原因 先天性原因是指砂岩地层的地质条件，也就是砂岩地层含有胶结矿 物数量的多少、类型的不同和分布规律的差异，再加上地质年代的因素， 就形成了砂岩油气藏不同的胶结强度。 一般来说，胶结矿物数量多、类型好、分布均匀、地质年代早，砂 岩油气藏的胶结强度就大，反之就小。 ( 1 ) 地层胶结疏松，容易出砂。 颗粒胶结程度是影响出砂的主要因素，胶结性能是否良好又和地层 埋深，胶结物种类、数量和胶结方式、颗粒尺寸形状密切相关。表示胶 结程度的物理量是地层岩石强度。关于胶结物，主要是看其种类。钙质 胶结为主的砂岩较致密，地层强度高。而以泥质胶结的砂岩较疏松，强 度较低( 此外泥质胶结物性能不稳定，易受外界条件干扰而破坏胶结。胶 结方式中以孔隙式胶结性能最好，其它如孔隙一接触式，接触式的胶结 强度较低。颗粒的大小，形状及分选性也影响胶结强度，细的分选差而 带有棱角的颗粒其胶结较好( 其它条件相同时) ，反之粗颗粒分选好的圆颗 粒则表现为弱胶结。薄片分析结果表明，如果砂岩颗粒为点接触，油层 压实作用较弱，地层胶结类型为接触式，胶结物以粘土矿物为主，地层 中国石油大学( 华东) t 稃硕十论文第3 章出砂机理分析 的这些性质决定了地层具备地层出砂的内在条件。从岩石力学的角度分 析，地层的胶结性质直接影响了岩石颗粒固有的剪切强度，低的地层强 度是造成地层出砂的主要内在因素。 ( 2 ) 流体性质的影响 岩石的固结力还包括地层流体与颗粒之间的毛细管作用力。若含油 饱和度越高，则胶结较好( 其它对比条件相同) ，反之，则胶结程度下降。 这是因为油相颗粒界面张力较大的缘故。同时原油粘度也对胶结强度产 生影响，稠油的毛细管作用力小于稀油。 在生产过程中，流体流动的剪切破坏克服了砂粒之间的聚合力f 岩石 强度) ，使油井出砂。原油粘度越高，生产过程中与岩石表面产生的切力 越大，携砂能力越强，造成的出砂就会加重。 此外，毛管作用力大小还受颗粒表面润湿性的影响。若强亲水，则 易与水牢固结合，内聚力就增加。原油性质较差，在生产中，施加在岩 石颗粒上的拖曳力大，易造成出砂。 3 1 2 开发因素 人为的开发因素造成油气井出砂。不恰当的开采速度以及采油速度 的突然变化，落后的开采技术( 包括不合理的完井参数和工艺技术) ，低质 量和频繁的作业修井和不科学的生产管理等都会造成油井出砂。 随着油气田开发期延续，油气层压力自然下降，储层砂岩体承载砂 粒的负荷逐渐增加，致使砂粒日j 的应力平衡破坏，胶结破坏，造成地层 出砂。另外地层注水可能使储层中的粘土膨胀分散，有的还会随地层流 体迁移使地层胶结力下降。此外，地层中的两相或三相流动状态能增加 对地层砂的携带力。 ( 1 ) 油层压力下降及生产压差导致油井出砂 上履岩层压力是靠孔隙内流体压力和岩石本身的强度来平衡的。随 中国打油大学( 华东) 1 稃硕十论文第3 章出砂机理分析 着油井的不断生产，地层压力逐渐降低，上覆岩层的压力增加了对地层 颗粒及胶结物的应力。在胶结差的地层中，随着地层压力下降，增大的 应力会使岩石胶结层发生形变，岩石骨架会破坏，在液体流动条件下将 地层颗粒携至井底，引起出砂。 油藏压力下降对地层出砂的影响表现在：压降过大使岩石颗粒的负 荷加大，造成了岩石的剪切破坏，导致地层大量出砂；当油藏压力低于 原油饱和压力后，将出现层内脱气，形成油气两相流，使地层对油相的 相渗透率显著下降。此时，脱气还使原油粘度提高，两方面综合作用便 增加了油流阻力( 严重时会产生气顶) ，欲保持产量不变，必须提高生产 压差，导致出砂情况更加恶化；油层压力的下降总是伴随边、底水( 或注 入水) 的侵入，从而在层内出现油( 气) 、水多相流，同样使油相渗透率急 剧下降，不得不放大生产压差来维持产量，势必产生出砂加剧的后果。 油藏经过长期开采，地层能量下降较快。而地层压力的下降是对原 始地层骨架的一种破坏，而且地层本身胶结强度不高，这样在地层中流 体长期亏空的情况下，油层发生坍塌、破碎，直至成为分散结构，从而 出砂。对于暂停井由于地层压力的降低，造成地层压力与井筒液柱静压 力之间的压差，随着地层压力的变化而出现有时是正值，有时是负值的 情况。如果地层压力与井筒液柱静压力之间的压差波动较大，就会对近 井地带油层的冲刷、伤害加剧，从而使出砂加剧。 ( 2 ) 流速对出砂的影响 对于疏松砂岩易出砂的地层，常常存在速敏问题，当油层内流体流 速低于l 临界流速时，实验研究发现尽管也会产生微粒的运移，但是它们 会在弹孔入口处自然形成“砂拱”，可以进一步阻止出砂。但是随流速的 增加，砂拱尺寸不断增大，稳定程度降低( 砂拱越小越稳定) ，当油层内流 体流速等于临界流速时，砂拱平衡完全被破坏，无法再形成新的砂拱， 中国石油大学( 华东) 丁稃硕士论文第3 章出砂机理分析 砂粒可以自由流入井筒，开始出砂。如流速迸一步增加，其带来的后果 只能是加剧出砂。根据实验研究，在一定流速范围内，出砂量随流速线 性增加。 ( 3 ) 含水上升或注水对出砂的影响 含水对出砂的影响可归结为以下几方面： 含水上升使地层颗粒间原始的毛细管力下降， 降低； 由于胶结物被水溶解，特别是一些粘土矿物， 后膨胀、分散，大大降低了地层的强度； 导致了地层强度的 如蒙脱石等，遇水 注水对地层的冲刷作用会导致地层强度降低。 从岩石力学的角度分析，注水后，油层强度降低是必然的。首先， 注水后，含水上升，使地层原始强度降低，即地层的内聚力降低。另外， 注水的反复冲刷，导致岩石发生拉伸破坏，加剧地层的出砂。在以粘土 为主要胶结物的地层中，当油井开始产水后，水溶解地层中的胶结物， 使地层胶结强度降低，导致油井出砂。某些油田在无水采油期间油井不 出砂，而随着生产周期增长，边底水见效，注水见效，则随着含水上升， 出砂加剧。此外，由于油层见水，也导致砂粒结合在一起的毛管压力降 低了，引起胶结物的剪切破坏，导致出砂。 ( 4 ) 地层伤害的影响 在钻井、完井、采油、作业过程中或者由于工作液固相颗粒含量高， 或者由于入井液与地层及地层流体不配伍，都会在井底附近对油层造成 一定的伤害。主要伤害类型包括：弹孔及地层孔喉堵塞( 固相颗粒堵塞) ， 粘土伤害( 粘土膨胀、分散和运移) 、产生二次沉淀和原油乳化伤害( 使原 油粘度急剧增加) 。 由于入井液的侵入导致井底附近地层渗透率显著下降，以及原油的 1 4 中国石油大学( 华东) i ：稃硕十论文第3 章出砂机理分析 乳化和近井地带含水饱和度的急剧增加，总之各种伤害恶化了地层渗流 条件，增加了流动阻力，换言之，需提高生产压差才能保持相同的产量。 生产压差的增大对出砂的影响，地层损害的最终结果仍是加剧出砂。出 砂又会使地层损害更严重( 孔喉堵塞) 这种恶性循环的后果不堪设想。所 以，在油井生产的各个环节，要创造各种必要条件来保护油层，既有利 于高产稳产，又有利于控砂。 ( 5 ) 其它影响出砂因素 原油粘度变化和岩石表面润湿性变化也会对出砂产生一定影响。若 油藏压力下降造成原油脱气，原油粘度增加，从而增大对岩石颗粒的剪 切作用力，而胶结疏松的砂岩抗剪切强度较低，易产生剪切破坏使砂粒 脱落随油流运移到井底。此外，油，水乳化( 在中、低含水阶段) 也使原油 变稠难于流动，这容易造成出砂。稠油井往往是出砂井，粘度越高，出 砂越严重。若在油井作业处理过程中，应用了不适当的某些表面活性剂， 使地层原亲水表面变成亲油表面使毛细管作用力由动力变成了流动阻 力，加剧了出砂。 3 2 出砂类型 一般油层出砂可分为充填砂和骨架砂。当流体的流速达到一定值时， 首先使得充填于油层孔道中的未胶结砂粒发生移动，油井开始出砂。随 着流速的增加、油井受力发生变化，油井出砂量增加。当流体的流速和 生产压差达到某一定值时，油井发生剪切破坏，造成岩石结构损坏、使 骨架砂变为自由砂，被流体带着移动，引起油井大量出砂。通常把使充 填砂运动的流速称之为油层出砂的l 临界流速；把使骨架砂变为自由砂移 动的压力称之为临界压力。 3 3 出砂机理 3 3 1 油井出砂的宏观机理 中国石油大学( 华东) 丁稃硕七论文第3 章出砂机理分析 众所周知，处于地层深处的岩石，受到上覆岩层压力、水平地应力 及地层孔隙压力的作用，在井眼钻开前，地下岩层处于平衡状态。但是 油气井在生产过程中，岩石中的应力状态要发生变化，可能导致岩石破 坏，岩石的破坏形式主要有两种： ( 1 ) 剪切破坏是大多数现场出砂的基本机理p i 。通常认为出砂是由于 地下油藏岩石发生了剪切破坏，从而产生了破裂面，破裂面的产生降低 了岩石承载能力并进一步破碎和向外扩张，同时由于产液流动的拖拽力， 将破裂面上的砂子携带出来，导致出砂。也就是说，在未打开油层之前， 地层应力是平衡的；打开油层后，在近井地带，地层应力平衡状态被破 坏，当岩石颗粒承受的超过岩石自身的抗剪或抗拉强度，地层或者塑性 变形或者发生坍塌，在地层流体产出时，地层砂就会被携带进入井底， 造成出砂。 受力竣蹙 构羹攒较籼 图3 - l 炮眼周围地层受损情况 图3 1 是射孔造成弱国结的砂岩破坏的示意图。射孔使炮孔周围往 外岩石依次可以分为颗粒压碎、岩石重塑、塑性受损及变化较小的较小 受损区。远离炮孔的彳区是大范围的弹性区，其受损小，曰1 b 2 区是 弹塑性区，包括塑性硬化和软化，地层具有不同程度的受损，c 区是一 个完全损坏区，岩石经受了重新塑化，近于产生完全塑性状态的应变。 紧挨炮孔周围的岩石受到剧烈震动被压碎，一部分水泥环也受到松动损 1 6 中国年i 油人学( 华东) t 样硕士论文第3 章出砂机理分析 害。从力学角度分析，这种条件下的油层出砂机理，为剪切( 压缩) 破坏机 理，力学机理是近井地层岩石所受的剪应力超过了岩石固有的抗剪切强 度。形成剪切破坏的主要因素是油藏压力的衰减或生产压差过大，如果 油藏能量得不到及时补充或注水效果差或者生产压差超过岩石的强度， 都会造成地层的应力平衡失稳，形成剪切破坏。由于井筒及射孔孔眼附 近岩石所受周向应力及径向应力差过大，造成岩石剪切破坏，离井筒或 射孔孔眼的距离不同，产生破坏的程度也不同，从炮眼向外可依次分为： 颗粒压碎区、岩石重塑区、塑性受损区及变化较小的未受损区。若岩石 的抗剪切强度低，抵抗不住孔周围的周向、径向应力差引起的剪切破坏， 井壁附近岩石将产生塑性破坏，引起出砂。 ( 2 ) 拉伸破坏是岩石出砂的另一个机理。在开采过程中，流体由油藏 渗流至井筒，沿程会与地层颗粒产生摩擦，流速越大，摩擦力越大，施 加在岩石颗粒表面的拖曳力越大，即岩石颗粒前后的压力梯度越大。地 层颗粒产生摩擦，流速越大，摩擦力越大，施加在岩石颗粒表面的拖曳 力越大，即岩石颗粒前后的压力梯度越大。流体对岩石的拉伸破坏在炮 眼周围是非常明显的，由于过流面积减小，流体在炮眼周围形成汇聚流， 流速远大于地层内部，另外，近井地带流体易脱气，粘度增大，对岩石 颗粒的拖曳力也会增加。实际上，剪切和拉伸两种机理将同时起作用且 会相互影响，受剪切破坏的地层会对流体的拖曳力更加敏感。当剪切破 坏是主要机理的情况下，流体流动对携带颗粒进入到井里也是很重要的。 一般来说，地层剪切破坏引发地层的突发性大量出砂，而拉伸破坏引起 地层细砂长流。出砂使孔穴通道增大，而孔穴增大又导致流速降低，从 而使出砂有趋停趋势。因此，拉伸破坏有自稳性效应【6 1 。 3 3 2 油井出砂的微观机理 从微观上看，出砂是由于地层流体对岩石颗粒的冲蚀而引起的。在 1 7 中国打油大学( 华东) t 稃硕十论文第3 章出砂机理分析 疏松砂岩油藏，地层内部存在着大量的自由微粒，在流体流动时，微粒 会在地层内部运移，直至井筒。如果这些微粒在被地层孔喉阻挡后，会 使流体渗流阻力局部增大，增大了流休对岩石的拖曳力，未被阻挡的更 细微粒随流体进入井筒，造成出砂。 3 4 油层充填砂的产出 3 4 1 油层充填砂受力分析 设充填砂半径为r ，组成岩石的骨架砂粒半径为凰，多孔介质孔道 中的流速为u ，充填砂在运动方向所受的推力只和与运动方向垂直的斥 力e ，统称水动力。砂粒本身的重力疋，任何两颗微粒之间，微粒与孔 壁之间，总存在相互吸引的力，即范德华力只。在地层中，微粒的某些 离子被低价的阳离子所取代，以及由于晶格的缺陷和断键，使油层中充 填砂粒都带有一定的负电荷或正电荷，这些电荷通过吸附在晶体表面附 近的等量反离子来平衡，使整个体系呈电中性。因此在油层中的充填砂 粒因侵入地层流体中会形成扩散双电层，从而产生双电层斥力r 。油层 充填砂受力分析”1 如图3 2 所示。 图3 - 2 砂粒的受力分析图 1 8 中国白油大学( 华东) 稃硕士论文第3 章出砂机理分析 3 4 2 砂粒运动的临界速度 处于多孔介质孔道的充填砂，当流体的流动速度不断增大时，则砂 粒受到的流体冲力会越来越大。当达到某一流速，水动力与双电层斥力 就会克服各种阻力，推动砂粒在孔道中随流体运动，大砂粒会在流道孔 喉处聚集，降低渗透率；小砂粒则会通过孔喉，进入油井，引起油井出 砂 s l 。 当油层中的视流速v 大于或等于门限速度k 时，则油井出砂，即油 井出砂的判别式为：v r s 3 4 1 3 填充砂的产出程度 油层射孔完井后，由于孔眼附近的应力比较集中及流场梯度较大， 孔眼稳定性直接决定着油层的出砂问题，孔眼表面的破坏必然导致其边 界的移动。径向渗流时，孔隙通道中的流体流动速度为： v = 生! 鱼二旦2 ! 。m 。i n ( r e r w ) r ( 3 一1 ) 式中 o 射孔眼半径，i n i r l ； 孔眼汇流的影响半径，n l n l ； m 。有效孔隙度，； i z 。水粘度，m p a s ； | j 渗透率，1 0 。3 t t m 2 。 根据c m 古里耶夫的资料，充填在孔隙中的微粒发生运移的液流速 度为： 圪：旦l + a t l 式中口带时间次的实验系数，口= o 5 1 7 ； 1 9 ( 3 - 2 ) 中国石油大学( 华东) t 程硕十论文第3 章出砂机理分析 ，7 给定温度下的油、水粘度比，无因次； d 填充砂的直径，m m ； 见原油密度，g e m 3 ； 由下式计算： 鲁g 声) ( 3 - 3 ) 式中仃岩石密度，g c m 3 ； 7 ，颗粒摩擦系数，无因次； 液流方向与垂直方向的夹角，角度： 由式( 3 1 ) 和式( 3 2 ) 可求解得到给定的生产压差( 4 p = p o a ) 下储层 内填充砂产出的区域，其表达式为： 以。蒜筠 1 + 庵可 ( 3 - 4 ) 式( 3 - 4 ) 表明，储层内填充砂随流体进入井内的程度儿取决于生产压 差，储层物性和采出液的物性，并随生产压差p 线性增大，与水粘度几 的平方成反比，即在控制生产压差的条件下，儿范围内的填充砂将随流 体一道涌入井筒内 9 1 。 3 4 4 填充砂产出的条件 一般地，通过室内流动试验可以求得填充砂产出的临界流速。建立 室内临界流速与现场实际控制流速间的对应关系，可指导油井实现无砂 生产。 为了将实验室的临界流速变为油田开发的合理开采速度，则必须将 实验室的临界流量换算为径向流的